第5章 计算机网络与互联网

5.1 数字通信入门

5.1.1 通信系统模型

• 通信三要素: 信源 (发送端)、信道 (传输媒介)、信宿 (接收端)。
• 信号形式:
  1. 模拟信号 (Analog): 连续变化的物理量 (如电流强度的波动)。
  2. 数字信号 (Digital): 使用有限个状态 (通常为 0 和 1) 表示信息。

5.1.2 基本通信技术

1. 调制与解调 (Modem):
   • 调制: 将计算机输出的数字信号转换为能在模拟信道上传输的模拟信号。
   • 解调: 接收端将模拟信号还原为数字信号。
   • MODEM (调制解调器): 兼具上述两种功能的设备。
2. 多路复用技术 (Multiplexing): 提高线路利用率，让一条线路同时传输多路信号。
   • FDM (频分多路): 不同信号分配在不同频率范围 (如有线电视)。
   • TDM (时分多路): 不同信号轮流占用不同时间片 (如数字电话)。
   • WDM (波分多路): 光纤通信中不同波长的光载波。
3. 交换技术:
   • 电路交换: 通信前先建立固定物理连接 (如传统拨号电话)。
   • 分组交换 (Packet Switching): 将数据分成小块 (分组)，在网络中动态选择路径，“存储-转发”。因特网的基础。

5.1.3 传输介质

• 有线介质:
  1. 双绞线: 成本低，安装方便 (常用 5 类线、6 类线)。
  2. 同轴电缆: 抗干扰能力强，用于闭路电视。
  3. 光缆: 利用光全反射传输。带宽极高、传输距离长、抗电磁干扰、保密性好。
• 无线介质: 无线电波 (中波、短波、超短波)、微波 (直线传播，需中继站或卫星)、红外线 (短距离)。

5.1.4 卫星通信与定位

• 卫星通信: 本质是位于太空的微波中继站。
• 全球定位系统 (GNSS):
  • GPS: 美国系统，广泛应用。
  • 北斗 (BDS): 中国系统，特有短报文通信功能。

5.1.5 数据通信技术指标

• 带宽: 信道传输信息的最大能力。
• 数据传输速率: 单位时间内传输的比特数 (bps)。
• 误码率: 衡量数据传输的准确性。
• 端到端时延: 数据从发送端到接收端所经历的时间。

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5.2 计算机网络基础 (Computer Network)

5.2.1 网络分类与组成

• 组网目的: 数据通信、资源共享 (软件/硬件/数据)、分布式处理、提高可靠性。
• 工作模式:
  1. C/S 模式 (客户机/服务器): 专门的服务器提供资源，客户机发出请求。如 Web 浏览、电子邮件。
  2. P2P 模式 (对等模式): 网络中每台计算机地位平等，既是请求者也是提供者。如 BT 下载。
• 地域范围分类:
  1. 局域网 (LAN): 覆盖范围小 (如学校、楼宇)，速度快，延迟低。
  2. 城域网 (MAN): 覆盖城市范围 (5km~50km)。
  3. 广域网 (WAN): 跨地区、跨国，通常借用公共通信网络。

5.2.2 局域网 (LAN) 技术

• 常用拓扑结构:
  • 总线型: 所有节点共享一条传输线 (如早期以太网)。
  • 星型: 各节点连接到中心交换机 (现代以太网主流)。
  • 环型: 节点首尾相连 (如 FDDI、令牌环网)。
• 以太网 (Ethernet):
  • 标准: IEEE 802.3。
  • 访问控制: CSMA/CD (载波监听多路访问/冲突检测) —— “先听后发，边发边听，冲突停止，随机重发”。
  • 硬件: 网卡、交换机、双绞线。
  • 地址: MAC 地址 (48 位二进制，全球唯一，烧录在网卡中)。

5.2.3 无线局域网 (WLAN)

• 组成: 无线网卡 + 无线接入点 (AP)。AP 相当于无线交换机。
• 标准: IEEE 802.11 (Wi-Fi)。
• 其他无线技术:
  • 蓝牙 (Bluetooth): 短距离、低速率、低成本 (IEEE 802.15)。
  • NFC (近场通信): 极短距离 (<20cm)，用于支付、门禁。

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5.3 互联网的组成 (The Internet)

5.3.1 互联网体系结构与协议

• TCP/IP 协议族: 互联网的核心通信协议。
• 分层模型:
  1. 应用层: 为用户提供服务 (如 HTTP, FTP, SMTP, DNS)。
  2. 传输层: 负责端到端的通信 (如 TCP 可靠传输, UDP 不可靠但速度快)。
  3. 网络层 (网际层): 负责分组的寻址和路由 (如 IP 协议)。
  4. 网络接口层: 负责在物理媒介上传输数据。

3.3.2 IP 地址与域名

• IPv4 地址:
  • 格式: 32 位二进制，常用 点分十进制 表示 (如 192.168.1.1)。
  • 分类: A类 (大型网络), B类 (中型), C类 (小型), D类 (多播), E类 (保留)。
  • 子网掩码: 用于区分网络地址和主机地址。
• IPv6 地址: 128 位二进制，解决 IPv4 地址枯竭问题。
• 域名系统 (DNS):
  • 作用: 将易记的域名 (如 www.baidu.com) 翻译为计算机识别的 IP 地址。
  • 结构: 分层树状结构 (顶级域名如 .com, .cn)。

3.3.3 网络互联设备与接入

• 路由器 (Router): 互联网的核心设备，负责在不同网络间转发分组，根据路由表选择最佳路径。
• 接入方式:
  1. 有线接入: ADSL (拨号), LAN (以太网), FTTH (光纤到户)。
  2. 无线接入: 4G/5G 移动通信, Wi-Fi 热点。